[发明专利]一种基于FPGA的多功能输入输出模块及输入输出方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的多功能输入输出模块，在高速列车中央控制单元的IO模块中，高速列车中央控制单元中由中央处理器CPU模块、总线管理模块以及背板组成，其特征在于，

包括模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、数字信号输出/输入单元、模拟信号输入比较单元，以及人机交互模块和FPGA模块，

所述模拟信号输入调理采集单元，收集经由多通道模拟多路器切换后的模拟信号输入，经过模数转换芯片采集后通过SPI接口传入FPGA模块经过FPGA模块读取后通过数据总线与CPU模块进行通讯；

或者模拟控制信号由SPI接口传入模拟信号输出单元；

所述模拟信号输出单元，接收经过SPI接口传送的模拟控制信号经过数模转换芯片电平变化电路传送到输出接口；

所述模拟信号输入比较单元，提供模拟信号电平变换及调理，经过二极管反向保护后在比较器上输出，信号输出供FPGA模块进行数字检测,判断端口状态；

所述数字信号输出/输入单元，通过调节双向缓冲器方向，可配置为输入模式和输出模式；当配置为输入模式时，双向缓冲器方向配置为由外部至内部，HCMOS数字信号输入经过双向缓冲器缓冲及电平转换，转化为3.3V LVCMOS电平，供FPGA采集；当配置为输出模式时，双向缓冲器方向配置为由内部至外部，FPGA输出的3.3V LVCMOS电平经过双向缓冲器缓冲及电平转换，转化为HCMOS电平输出；

人机交互模块，提供控制面板供输入及显示数据，得到的输入信号进入FPGA模块。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块通过多个数据总线和多个地址总线连接至CPU模块。

3.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块的数字信号输出/输入单元将模拟电压转换为数字值，其中23个外部模拟信号进行12位采样，量程为±10V，10个信号从模拟输入传递至极限值监控器。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块模拟信号输出单元为4路模拟信号输出，量程为±10V。

5.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块数字信号输入单元为64路HCMOS数字信号输入，数字信号输出单元为46路HCMOS数字信号输出。

6.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块多功能输入输出模块设置0～23个可以用于脉冲宽度/频率输入信号和脉冲宽度/频率输出信号的可编程的16位计数器模块。

7.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述输入输出模块设有10个安装在前面板内的LED发光二极管；其中8个LED发光二极管经数据总线寻址；其他两个LED指出“复位”和“总禁止”状态。

8.如权利要求1所述的基于FPGA的多功能输入输出模块，其特征在于，所述人机交互模块中设有一温度传感器、两个BCD开关和7段显示器，一待用EEPROM存储器。

9.一种基于FPGA的输入输出方法，其步骤包括：

1)在输入端通过人机交互模块进行数模信号输入；

1-1)模拟信号输入调理采集单元收集经由多通道模拟多路器切换后的模拟通讯信号，模拟通讯信号通过SPI接口传入FPGA模块经过FPGA模块读取后通过数据总线与CPU模块进行通讯；或者模拟控制信号由SPI接口传入模拟信号输出单元；

1-2)通过调节缓冲器方向配置数字信号输入单元为输入模式，经过电路缓冲及调理后，输入到FPGA模块进行检测，检测结果通过数据总线与CPU模块进行通讯；

2)模拟信号输出单元接收经过SPI接口传送的模拟控制信号经过电平变化电路传送到输出接口；

3)当模拟信号经过模拟信号输出单元，进入模拟信号输入比较单元，经过二极管反向保护后在比较器上输出，模拟信号输出供FPGA模块进行逻辑检测；

4)配置数字信号输入单元为输出模式，总线下发数字信号输出指令经过FPGA模块处理,在输出接口输出；

5)在人机交互模块中反馈输出信号信息。